模块化设计方法在机械设计中的应用探析

吕虹霖

摘 要：模块化设计方法是实现机械产品大规模定制、使产品越加符合当前市场需求的有效方法之一，并且有利于提高其在市场同行中的核心竞争力。该文先从概念、特点、目的和方法对模块化设计进行简要介绍，并从实际应用上结合具体案例来对模块化机械设计予以分析，希望以此推动该设计方法在机械行业中的进一步广泛应用。

关键词：模块化设计 切割分排机 机械设计 机械压力机

中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0041-02

当前，随着社会经济的发展，用户群体由原先集中式变为个体户，在机械产品需求方面用户呈现出多样化和个性化特点，从而提出了低成本、高质量和个性化方面的更高要求，这就使机械制造商面临严峻挑战。模块化设计制造是在机械设计过程中引入模块化思想，同时柔性加工技术、成组技术、CAD技术等先进技术的运用，将同一功能的机械产品单元设计为性能各异、可以互换的模块，重点解决是机械设计制造周期、成本与款式、规制之间的关系。设计机械产品系列化模块化可带来精度高，性能稳定，结构简单，成本低廉的优势。模块化设计是实现机械产品大规模定制、使产品越加符合当前市场需求的有效方法之一，有利于提高企业在市场的核心竞争力。

1 模块化设计概述

1.1 模块化设计定义及目的

模块化设计的界定是从产品设计以及生产的不断发展中逐步形成的，它指的是在某一范围内为满足市场的不同需求，根据功能分析为基础，对功能相同或者相同功能而性能、规格各异的产品进行划分，并以功能模块形式进行系列设计，以期达到变通对模块的选择和组合，即可构成顾客定制的个性化产品。其内容包括创建和组合，其中模块是具有一定功能的零件、组件或部件，一般为批量生产。鉴于不同模块可组合成差异化产品，设计的重用率因而得以提升，使设计成本大大降低，实现了机械产品设计速度的提升及定制设计规模化。

模块化设计的宗旨为用设计上的少变去满足客户需求的多变；以设计时间的最少投入、加工速度的专业化来提高设计生产效率、缩短产品生产周期，应对市场中交货期的日益缩短；采用最有效的方式取得最快速的产品创新；设计方法从组合上求创新、并从功能角度出发，达到产品通用化和标准化，使其可靠性及质量得以提升，通过平台的建立、共享产品通用模块，满足产品大量定制下的经济效益规模化。模块化设计同时具有如下优点：产品内部繁复性减少，同时产品外部增加多样性，客户需求与企业目标之间的差距得以协调；模块化产品的配置设计通过规模化开发迅速提高，生产成本得到降低；设计人员得以减轻工作强度，可使其投入更多精力在技术上创新；在适应生产的定制规模化同时也可适应个性化产品的小批量生产；模块的高质量和可靠性有利于定制产品成功率一次达标；基于模块的封装性，拆卸和组装变得更为便捷，还可以模块为单元进行拆装维修，操作空间、测试设备限制不存在，维修工作极大简化，加快维修速度与效率。

1.2 模块化设计特点

模块化设计具有独立性、通用性、互换性和系列化等特点。每个模块都是相互独立的，只具有对外的接口，为提高其性能，可在不调整外部接口的前提下，开始独立设计和优化各个模块。模块化设计具有较大范围的通用化特征，每个模块的组成结构相对固定，参数、性能、对外接口形式和尺寸等也基本上固定不变，当模块属性能满足产品部分功能需求，不管是在产品横系列还是纵系列模块都能通用。模块本身所具备的属性使其在整体产品中占据相当重要的地位，无论是在其整体的设计过程中还是维修期间，都比常规设计更加方便，在必要情况下可以只更新模块，互换性很强。若一批模块外形相似且名称相同，但参数大小各异，那么模块系列就此形成，模块的系列化使其不但适用于产品系列，还能单独适用于个性化产品中，在相应范围内构成不同功能或功能相同性能各异的多种产品。

1.3 模块化设计方法

进行机械设计时，相较模块设计的系列化，合理划分模块变得极为重要，不仅需考虑管理与制造的方便、进行模块组合的时候是否能灵活地组合以及在系统中的可更换性，同时考虑模块系列的扩展及变型产品的辐射。划分原则为焊接件简化、外购件简化、借用子装配体简化的原则，促使更多产品的组成。在模块化设计过程中，还要注意模块中具有接口特征的可调换性与组合性两个通重要特征，进一步提高模块标准化、规格化及通用化程度。

模块化在设计方式上，主要包括全系列模块化设计、纵系列模块化设计、横系列模块化设计和跨系列模块化设计。模块化设计的横系列指产品主要参数不改变情况下，以基型产品为基础，通过模块发展变形产品，该设计方式极易实现，比如更换端面铣床的铣头可加装立铣头形成立式铣床，加装卧铣头形成卧式铣床，加装转塔铣头形成转塔铣床。纵系列模块化设计是在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计，即通过合理划分区段，使与动力参数相关的模块仅通用于同一区段内，而与尺寸或动力无关的模块通用于更广范围。模块化设计全系列包括横系列及纵系列两项设计，例如运用设计方式横系列，通过更换端面铣床的铣头形成立式铣床、卧式铣床、转塔铣床等横系列产品，还可改变工具铣床身和横梁的高度和长度，形成纵系列产品。跨系列产品设计就是改变某些模块得到其他系列产品的设计方式，此类设计方式主要是基于模块化设计全系列适用结构比较相似的模块化设计跨系列产品上，比如德国某厂生产的模块化镗铣床通过横系列模块化设计方式发展为数控及各型镗铣加工中心，在此基础上，对立柱、滑座、工作台进行更换，原有模块化镗铣床可变为跨系列的落地镗床。

在机械设计中，模块化产品的设计和制作过程是两个不同层次的过程，而事实上，技术系统与模块化设计遵循基本相似的设计流程，而较为复杂的模块化设计，成本费用更高，还需确保各个零部件功能的发挥不是单一的。模块化设计流程在机械设计中运用，见图1。

2 模块化设计方法在机械设计中的运用

机械设计是指满足经济指标及相应技术的条件下，求解功能需求并最终锁定最优综合方案的进程，该进程具有综合性、多解性、近似性和层次性的特点，成为创新机械产品的核心和基础，从根本上决定着机械产品的功能、性能、质量和成本。当前，随着社会经济的发展，用户群体由原先集中式变为个体户，对机械产品用户需求呈现个性化及多样化特点，在个性化、高质量及低成本方面显示出更高要求。设计制造模块化成为制造业面对上述挑战的主要方式，基于产品模块化的合理体系，个性化且满足客户需求的产品可快速组合成，同时还能通过批量生产与管理通用模块降低生产和管理成本。

2.1 模块化设计在机械压力机设计中的应用

模块化设计方法非常适用于结构复杂的机械产品的设计。机械压力机可以拆解为机身、滑块、传动、气动、润滑、拉伸垫部件等，但分解出的模块较大，无法将这些模块组合成新产品，需进一步细化分解为具有较强通用性的模块。飞轮制动器是机械压力机的重要部件，由气缸、刹车片和底座组成。但由于底座受机床结构和安装位置的限制，不能全部通用，所以飞轮制动器不能作为1个模块来采用模块化设计，可将其分为3个模块来进行设计。不同的压力机气缸是可以相同的，在装配过程中只需适当调整气压气缸便能使用于多种规格的机械压力机上。刹车片可直接作为通用件。底座可根据安装位置结构来进行设计。根据具体需求选择不同气缸、底座和刹车片进行组合形成的飞轮制动器可在各种规格的压力机上使用。由于机械压力机的液压系统和润滑系统的泵站为外购的，因而其本身就是一个独立的模块，但是分配系统具有向不同点输送的功能，这就需要根据企业需求对系统的装配部件进行设计，根据模块化设计原则，设计过程中可将液压系统、润滑系统的分配元件及管路集中起来，形成集中控制模块，只需留出对外接口即可适用于多种机械产品。机械压力机的气动部件的控制气路可通过三联件、压力表、减压阀及其他气动元件的组合形成一个中央控制模块，在该模块中，只需留出对外接口即可适用于吨位相近的不同的压力机上。

通常来说，在大型的机械压力机上，都设置有相应的爬梯，爬梯的主要功能是供机械维修人员上下行走。常规设计中，一般将爬梯作为一个整体焊接件进行设计，或是设计为上下两部分以便于上梁和立柱的拆解。事实上，若能按照模块化设计的理念分解爬梯，其通用性会更强。机床大小于爬梯宽度无关，设计中大可按照人体宽度来设计爬梯跨度，而爬梯的高度则根据机床高度设计，为此，可在考虑爬梯总功能的基础上将爬梯设计为许多节，把每个节都看作是一个模块，那么在具体设计中设计人员只需要根据机床的高度来选择节的种类和数量，而不是重复设计。装配爬梯时，可利用螺钉将选择好的节牢固连接起来。

2.2 模块化设计在切割分排机设计中的应用

切割分排机是生产方便面的重要设备。在经过和面、熟化、复合压片、连续压片、切条成型、蒸面这些步骤之后，需要将蒸熟的面条送至切割分排机完成面条的定长切断和分派，在切割分排过程中，面条被折为两层，方便面基本成型，之后进行油炸、冷却、包装。

2.2.1 模块划分

模块化设计过程中，根据切割分排机的功能和结构，进行模块划分，大部分模块为必选模块，其中电机包括1.1 kW、1.5 kW两种。按照产品规格不同，分为3万包、5万包、12万包、15万包四类。二次拉伸网、分排架、滴油装置为可选模块，主要是按班产量或客户要求选择有或无。除此之外，一台完整的切割分排机，还应包括必不可少的标准件、连接件、紧固件等。对于3万包、5万包、12万包、15万包这4种类型，其主要区别在于4种系列产品的有效工作宽度不同，但它们所要实现的功能是相同的，因而模块划分亦相同。

在模块划分下进行切割分排机的模块化设计最终衍生出来的并不仅仅是3、5、12、15万包这4种产品，这只是按照产量不同来划分的，属于第一个层次的分类，而在此基础上，还能根据客户的不同需求、不同排架长短、有无二次拉伸网、由于滴油装置、不同分排装置衍生出更多种类的产品，通过计算，仅按照3万包的产量，就可衍生出16种产品。另外一方面，每个模块都有各自接口，且在接口约束框架内，每个模块都是不断发展着的，客户需求不同，切割分排机生产的方便面的种类也会有所增加，这对于丰富产品线具有重要现实意义。

2.2.2 模块化参数化设计及应用效果

模块划分完成后，需分析各个模块之间的关系，也就是进行各模块之间的接口分析，以明确两个模块之间是否直接相连，这样以来，在切割分排机设计过程中，可从源头上避免模块之间相互干涉现象的出现。必要情况下，进行接口分析的时候应进一步对每个模块的外形轮廓尺寸、接口尺寸等加以明确。比如蒸网主传动轴模块与二次拉伸网、电机、左箱体、右箱体、主传动轴模块存在接口，挑面辊组件模块与左箱体、右箱体、主传动轴模块存在接口，分排架模块与分排架支脚、后分排辊组件、滴油装置、淌板、左箱体、右箱体模块存在接口，左箱体、右箱体模块都与蒸网主传动轴、挑面辊组件、折叠机构、栅轮、二次拉伸网、切刀托辊组件、小胶辊组件、上压辊组件、前分排辊组件、分排架、机架、罩壳模块存在接口。

为便于数据管理，需制定针对方便面生产设备各机组的编码规则，见图2。按照图中的编码规则解读切割分排机的编码，比如FM12.07为12万包切割分排机的编码，FM12.06.10为12万包切割分排机某一部件的编码，FM05.08.03-2为为5万包油炸机某一零件的编码。相应地，按照编码规则对切割分排机各个模块进行编码。编码后，编制切割分排机的合同数据列表，当客户选择了某一具体规格的切割分排机，根据客户具体需求，选用相应的模块，进行模块配置。

以切割分排机中的切刀托辊组件的模块化设计为例，3、5、12、15万包这四种产品的相应模块中，除切刀、切刀棍、托辊件号不同以及标准件数量不同外，其他各个零件均相同，四者存在大量共用件。应用Pro/E建立切刀托辊组件模型，建模过程中，在族表中列出不同零部件，并选用不同件号，以生成不同模型组合。之后利用Pro/E所具有的强大的参数化设计能力实现各个部件和零件的参数化设计。

通过采用模块化+参数化的设计方法，在面机产品开发设计过程中，企业的设计效率明显提升，产品开发周期大大缩短，原来的一个产品从设计、计算到完成工程图纸的时间为3个月，现在的4个产品利用同一平台、每个机组再加上不同选项，其工程设计时间仅为4个月，且衍生出了64中不同组合的产品。另外，产品质量不断提升，零部件使用种类和使用量明显减少，大大降低了总生产成本。

3 结语

总之，模块化设计方法是实现机械产品大规模定制、使产品越加符合当前市场需求的有效方法之一，在提高效率、降低成本、保证质量等方面具有很大优势。但模块化设计也有带来不利影响的可能性，在机械设计中还需加强分析，对其进行合理应用。相信随着模块化设计标准化、规格化、通用化程度的进一步提升，模块的互换性也会随之强化，机械设计与制造水平将会步上一个新台阶。

参考文献

[1] 蔡业彬.模块化设计方法及其在机械设计中的应用[J].机械设计与制造，2005（8）：154-156.

[2] 赵勃.机械设计中模块化设计方法的运用分析[J].科技经济市场，2015（6）：194.

[3] 谌炎辉.复杂机电产品模块化设计若干关键技术及应用研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[4] 王春琦.基于模块化拖挂式A型房车设计方法与应用研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[5] 吕正刚，刘恒丽，余竞超.基于模块化设计思想的电冰箱概念设计[J].包装工程，2011（8）：34-37.

[6] 赫崇宇.模块化设计研究及其在机床主轴系统中的应用[D].昆明：昆明理工大学，2013.